Ne-He lazeri ishlash prinsiplari Reja: Kirish

2.4.Boshqa gaz lazerlar haqida
CO₂ lazeri – molekulali lazerlar turkumiga kiradi. CO₂ lazerining nurlanishi molekulaning pastki asosiy elektron energetik sathga tegishli tebranish – aylanish energetik sathlari orasidagi kvant o’tishga asoslangan. Tebranish energetik sathlari orasidagi o’tishning energiyalari katta emas, o’sha energiyalarga tegishli nurning to’lqin uzunligi o’rtacha va uzoq infraqizil nurlanishi (5÷300mkm) atrofida joylashgan. Molekulalarning to’la ichki energiyasi uch xil energiyalarning yig’indisidan tashkil topgan: 1) yadro atrofida harakat qilayotgan elektronlarning energiyasidan Δε_e, 2) yadrolarning tebranma harakati bilan bog’liq tebranish energiyasi­dan Δε(v), 3) molekulaning o’z o’qi atrofida aylanishiga asoslangan aylanma energiyasidan Δε(j). Molekulaning to’liq energiyasini yozish mumkin
bunda ε=Δε_e+Δε(v)+Δε(j), (2.3.1)
Δε_e>Δε(v)>Δε(j) munosabat o’rinli.
CO₂ – molekulasi chiziqli va simmetriik molekuladir. Elektronning energetik holati ko’rsatilmagan barcha holatlarda energetik sathlar va ular orasidagi kvant o’tishlar asosiy pastki elektron holatga tegishli va molekulaning elektron energiyasi nolga teng (Δε_e=0) deb qarash kerak. Kvant o’tishining chastotasi tebranma – aylanish o’tishi bilan belgilanadi. Kvant o’tish birdan-bir elektron holatidagi tebranish aylanish – energetik sathlar oralig’ida kuzatilib. o’tish j va v kvant sonlarining qiymatlari farqi bilan aniqlanadi. Tebranish-aylanish kvant o’tish Δv=±1, Δj=0, ±1 qoidasiga amal qiladi (juft sonli elektronlar uchun Δj=0 o’tish taqiqlangan).
Birdan-bir elektron va tebranish energetik sathlariga te­gishli aylanish energetik sathlar orasidagi toza o’tish j kvant sonining qiymati bilan belgilanadi. Ustki aylanish energe­tik (j+1) sathdan pastki aylanish energetik (j) sathga o’tish R(j) orqali belgilanadi va R(j) spektrning shaxobchasi (vitviy) deb ataladi.
Yuqorigi tebranish energetik sathining aylanish energe­tik j sathidan pastki tebranish sathiga tegishli aylanish energetik j sathiga o’tish Q(j) shaxobcha deb belgilanadi. Q(j) – shahobcha uchun o’tish Δj=0 qoidasiga amal qiladi. P(j) – shahobcha. Yuqoridagi tebranish energetik sathining aylanish energetik (j–1) sathidan pastki tebranish sathining ayla­nish energetik j sathiga o’tishi P(j) deb belgilanadi.
Demak, R, Q va R–sha=obchalar to’plami tebranish holatlari bilan bog’langan bo’lib, tebranma-aylanish yo’lli spektrlarni hosil qiladi. O’sha to’plam v_yuq–v_past) deb belgilanadi.
Yuqoridagi energetik kvant o’tishlarni oydinroq tushunish uchun molekulani ikki atomli deb qaraymiz. Atomlar bir-biridan cheksiz uzoqlikda (r→ ) yoki uzoq masofada joylashgan bo’lsa, energetik sathlar yakka atomlarning energetik sathlaridan iborat bo’ladi. Atomlar yaqinlashishi bilan atomlar­ning o’zaro tortishish ta’siri tufayli energetik sathlar siljiydi. Avval boshida atomlar orasidagi masofa katta bo’lgan edi, endi esa atomlar yaqinlashish tufayli atomlarning bir-birini tortish kuchi ro’yobga chiqadi. Atomlar orasidagi masofa juda ham kichik bo’lganda esa atomlarning o’zaro itarilishi kuchi ustun keladi. Potensial (ichki) energiyadan ma­sofa bo’yicha olingan hosila atomlarning o’zaro ta’sir kuchini ifodalaydi. Atomlar orasidagi masofa r₀–ga teng bo’lganda atomlarning o’zaro ta’sirini belgilovchi potensial energiyasi minimal qiymatga ega bo’ladi. r₀ shunday masofaki, atomlar shu masofani egallashga intiladi. Atomlar r­₀ masofani egallaganda molekula hosil qiladi.

50- rasm. Ikki atomli molekulaning potensial chuqurligi va energetik sathlari. a) Tebranish energetik sathlari. b) Tebranma-aylanish energetik sathlari.

Molekula­ning ichki potensial energiyasi bir necha egri chiziq bilan ifodalanadi. Molekulaning tebranish energetik sathlari v=0,l,3,... va hokazo belgilanadi. Tebranish energetik sathlari bir-biriga teng masofada joylashadi va energetik oraliqlar hv_v – ga teng.Shuni aytish lozimki, v=0 energiyaning minimal qiymati ustiga tushmaydi va u energiyaning minimal qiymatidan bir muncha yuqori joylashadi. Birinchi egrilik aso­siy elektron-tebranish energetik sath deb ataladi. Molekula uyg’ongandagi potensial egrilik chuqurligi va chuqurlikning minimumi qiymati birinchi potensial egrilikka nisbatan o’ng tomonga siljiydi. Yuqorida joylashgan ikkinchi egrilik uyg’ongan elektron - tebranish energetik sathdir. Molekulaning tebranishi atomlar orasidagi masofaning њzgarishi bilan xarakterlanadi. Molekuladagi atomlarning katta amplitudali tebranishi potensial egrilikning (chuqurligining) parabolik shaklini uzgartirmasdan qoldirmaydi va po­tensial chuqurlik shakli o’zgaradi. Bu degan so’z, tebranish sathlari yuqori pogonalarga ko’tarilishi bilan energetik sathlar orasidagi masofa qisqarib va tebranish energetik sathlarining boshida kuzatilgan ekvidistantlik saqlanmaydi. Shuni ham uqtirib o’tish lozimki, ko’p atomli molekulalar uchun 50- rasmda keltirilgan energetik sxemadan foydalanish maqsadga muvofikdir. Shu rasmda molekulaning elektron-tebranish va aylanish energetik sathlari ham o’z ifodasini topgan.
50- rasmda ko’rsatilgan molekula energetik sathlarini uyg’otish uchun energiyasi Δε₁ dan katta bo’lgan elektromagnit yorug’lik ta’sir qilsa, u yorug’lik molekulada yutiladi va moleku­la parchalanadi (dissosiasiyalanadi). Shu hodisaga fotoliz deyiladi. Agar molekulaga tushayotgan yorug’lik fotonining energiyasi Δε₁ – ga teng bo’lsa, molekula asosiy-birinchi ener­getik holatdan uyg’ongan ikkinchi energetik elektron-tebranish holatiga o’tadi. Frank-Kondon prinsipiga ko’ra, yadrolar oralig’idagi masofa yorug’lik yutilganda ham yoki molekula yorug’likni chiqarganda ham o’zgarmaydi. O’sha prinsipga ko’ra energetik o’tishlar keng va tik chiziqli strelka bilan ifodalanadi. Molekulaning uyg’onishi asosiy energetik (v=0) holatdan yuqorigi energetik holatga o’tishi keng va tik strel­ka chizig’i bo’ylab bajariladi. Molekula uyg’ongan (V) teb­ranish holatda bo’ladi. O’sha uyg’ongan molekula juda tezda relaksasiyalanib pastki (S) tebranish energetik sathiga tushadi. Molekula spontan ravishda (S) sathdan pastki birinchi – elektron-tebranish asosiy energetik (D) sathta tushadi va nurlanadi. Oxiri tezda (juda qisqa vaqt oralig’ida) mo­lekula (A) sathga o’tadi. 50-rasmdan lyuminessensiya nurlanishining to’lqin uzunligi molekula tomonidan yutilgan yorug’likning to’lqin uzunligidan katta ekanligi (Stoks qonuni bajarilganligi) aniq bo’ldi. Ikkita tebranish energetik sathlar (v=0, v'=3) o’tishdan hosil bo’lgan yorug’lik faqat bitta ω₀ chastotani hosil qilsa, o’sha tebranish o’tishlarning aylanish energetik o’tishlarini hisobga olsak qator tarmoqli spektrlar (R– R–, O – shaxobchalar) hosil bo’ladi.
Shunday qilib, molekulaning uch xil turdagi energetik o’tishlari mavjud, bu o’tishlar lazer nurlanishini hosil qiladi:
— elektron-tebranish o’tish (ikkita elektron sathlar oralig’ida sodir bo’ladigan o’tish, bu xil o’tishning nurlanishi ultrabinafsha sohasida joylashgan).
— tebranma - aylanish kvant o’tish (bitta elektron ener­getik sathga tegishli ikki­ta tebranish sathlari oralig’idagi o’tish, bu xil o’tishning nurlanishi infraqizil nurlanish sohasida joylashgan),
— aylanish o’tish (bitta tebranishga tegishli ikki­ta aylanish energetik sathlari oralig’idagi o’tish va uning nurlanishi uzoq infrakizil sohada joylash­gan).
CO₂ molekulasining tebranish-aylanish o’tishi diqqatga sazovordir. CO₂ - lazeri aynan tebranish-aylanish energetik o’tish nurlanishiga asoslangan. CO₂ –lazerining aktiv moddasi sifatida SO₂, N₂ va Ne gazlarning aralashmasi ishlatiladi. 51- rasmda CO₂ N₂ molekulalarning soddalashgan tebranish energetik sathlari ko’rsatilgan.

51- rasm. CO₂ va N₂ molekulalarining asosiy elektron energetik sathidagi tebranish energetik sathlari sxemasi.

Azot lazeri. Azot lazeri gaz molekulalari lazerlari turkumiga kiradi, Azot molekulasining elektron – tebranish energetik sathlari sxemasi 55- rasmda keltirilgan. Azot molekulasining uyg’ongan elektron-tebranish S³P_i (v=0) sathdan pastki energetik elektron-tebranish V³P_d (v=0) sathga o’tishda (S³P_i- V³P_d) ultrabinafsha (λ=337,1nm) yorug’lik nuri paydo bo’ladi va u lazer nurlanishini hosil qiladi. Uyg’ongan azot molekulasi S³P_i energetik sathda 38 nanosekund va pastki V³P_d energetik sathda esa 8 mikrosekund yashaydi. Azot mo­lekulasining yuqori uyg’ongan energetik sathda yashash muddati pastki energetik sathda yashash muddatidan qariyb 100 mar­ta kam. Molekulaning bu xususiyati pastki V³P_d energetik sathda ko’pchilik azot molekulalarining soni to’planib qolishiga sabab bo’ladi. O’sha V³P_d energetik sathda joylashgan molekulalar sonining oshishi azot gazida inversiya kuchganlikni tezda chegaralab qo’yadi. O’sha sababli azot lazeriga o’z–o’zidan chegaralangan energetik o’tishli aktiv modda asosida ishlaydigan lazer ham deyiladi. Azot gazida uzluksiz inver­siya hosil qilib bo’lmaydi va shunga ko’ra azot lazeri uzluk­siz rejimda ishlay olmaydi, faqat impulsli rejimda ishlaydi xolos.

55- rasm. Azot molekulasining energetik sathlari diagrammam Punktir chiziq bilan chegaralangan vertikal strelka damlashni va uzluksiz kalta strelkalar lazer o’tishni ifodalaydi.

Azot gazida inversion ko’chganlikni hosil qilish uch ener­getik sathli aktiv modda kabi bo’lib, impulsli elektrik damlash usuli bilan amalga oshiriladi. Impulsli energetik damlash muddati 38 nanosekunddan kichik bo’lishi talab kilinadi. Impulsli elektrik damlash qancha qisqa muddatli bo’lsa, azot molekulalarida o’shancha samarali ravishda inversion ko’chganlikni hosil qilish boshlanadi. Azot gazida inversion ko’chganlikni hosil qilishda impulsli gazorazryaddan foydalaniladi. Katta kuchlanishli elektr toki azot gazi orqali o’tkazilganda tok kuchiiing o’zgarish tezligi di/dt katta qiymatga erishadi. Razryad davomida azot molekulalari elektron bilan to’qnashib, asosiy X¹ elektron – tebranish energetik sathdan (Frank –Konden prinsipiga asosan) uyg’ongan S³P_i elektron–tebranish sathga kuchiriladi. Azot molekulasining S³P_i sathga o’tish ehtimoli V³P_d sathga o’tish ehtimolidan ancha kattadir. Hozirgi kunda S³P_i va V³P_d energetik sathlarda inver­siya hosil qilish mexanizmi aniq o’rgatilgan. S₃P_i va V₃P_d energetik sathlarga ikkinchi musbat sistema deyiladi. Pastdan yuqoriga yo’nalgan uzun strelka elektrik damlashni ifo­dalaydi. Yuqoridagi enargetik sathlarda tebranish v kvant sonlari nolga teng bo’lgan energetik sathlar oralig’ida bo’ladigan kvant o’tishga mos keladi. Azot molekulasida inversiya hosil qilish uch energe­tik sathli aktiv moddalar sxemasiga o’xshashdir.
Azot lazerida kuchayish koeffisiyenti katta qiymatga ega. Impulsli damlash osonlik bilan ko’pchilik azot molekulalarini yuqorigi S₃P_i energetik sathga ko’chiradi va uyg’ongan azot molekulalari deyarli qisqa vaqt ichida nurlanadi. Bu esa o’ta nurlanishni hosil qiladi. Agar moddada katta in­version ko’chganlik hosil qilinsa va juda qisqa muddatda yuqori energetik sathlardagi molekulalar rezonatorsiz nuranishsa, bunday nurlanishga o’ta nurlanishi yoki o’talyuminessensiya nurlanishi deyiladi. Azot molekulalari joylashgan lazer kyuvetasi (lazer kamerasi) bo’ylab lyuminessensiya nur­lanishi va majburiy nurlanishning kuchayishi juda katta bo’lgani sababli optik rezonatorning qo’llanish zaruriyati ham qolmaydi. Lazer kyuvetasi o’qi bo’ylab majburiy nurlanish kuchayishi 60db/m ga teng. Bu kuchayishni quyidagicha tasavvur qilish mumkin: azot molekulasi yuqori energetik sathda ju­da kam vaqt yashagani uchun barcha uyg’ongan molekulalar deyar­li bir vaqtda yuqori sathdan pastki sathga o’tadi. O’sha pastki oraliq energetik sathda molekula uzoq saqlanib qoladi va u molekulani qayta uyg’otish jarayonini qiyinlashtiradi. Azot molekulasining qayta uyg’onishi uchun u asosiy X¹ elektron – tebranish sathda joylashgan bo’lishi zarur. Shunga ko’ra elektrik damlash juda qisqa muddatli impuls bo’lib, bir yo’la azot gazining ko’pchilik qismini uyg’ota oladi. Shu talablarga ko’ra azot lazeri rezonatorsiz ham ish­lay oladi, lekin yakka ko’zgu qo’llaniladi, u ko’zgu lazer kamerasidan qarama-qarshi tomonga tarqalayotgan nurlanishni bir tomonga yo’naltirish vazifasini bajaradi xolos.
Shuni aytish lozimki, ko’pchilik azot lazerlari ishlagan
vaqtda, lazer kamerasida azot gazi oqib o’tib turadi. Azot
gazining oqim tezligi 3÷4l/min ga teng. Shu xil tezlik
azot gazini kamerada yangilaydi, bu esa azot gazida yangidan
inversion ko’chirishni hosil qilishga imkoniyat yaratadi. La­zer kamerasida gaz bosimi 30÷60mm sim. ustuniga teng bo’ladi.
Azot lazerining to`zilishi va ishlashi sxematik ravishda 56-rasmda ko’rsatilgan.
Kameraning uzunligi 80÷100sm, balandligi 4sm, devorlari qalinligi 0,56sm, elektrodlari oralig’i 3,6sm, elektrodlarining qalinligi 0,4sm. Kameraning ikki qarama-qarshi tomonlariga kvars plastinasi bilan berkitilgan va o’sha plastinalarning biri orqali lazer nuri tashqariga tarqaladi.

56- rasm. Azot lazerining ishlash va to`zilish sxemasi.a)-tiratron lampasi, b)-lazer kamerasi, yuqori kuchnanishli elektr manbai, S_n –yig’uvchi kondensator, S_l -keskinlashtiruvchi kondensator sxemasi.а) tiatron lampasi b) lazer kamerasi, yuqori kuchlanishl elektr manbai , С_н –yig’uvchi kondensator, С_л –keskinlantiruvchi kondensator

Kameraning uzunligi 80÷100sm, balandligi 4sm, devorlari qalinligi 0,56sm, elektrodlari oralig’i 3,6sm, elektrodlarining qalinligi 0,4sm. Kameraning ikki qarama-qarshi tomonlariga kvars plastinasi bilan berkitilgan va o’sha plastinalarning biri orqali lazer nuri tashqariga tarqaladi.
Azot lazeri quyidagicha ishlaydi:80-rasmda yuqori kuchlanishli elektr manbai R₃ qarshilik yordamida S_n kondensatorni zaryadlaydi. Tashqi generatordan tiratron lampasining turiga impuls beriladi va tiratron ochiladi. Tiratron ochilishi bilan S_n kondensaterda to’plangan elektr energiya S_l kondensatorga o’zatiladi va kondensator zaryadlanadi. S_l konden­sator lazer kamerasidagi asosny elektrodlarga parallel joylashgan.S_l kondensator zaryadlanib bo’lish bilan ikki elektrod oralig’ida, lazer kamerasida, elektr zaryadi boshlanadi. O’sha vaqtda ikki elektrod orasida katta kuchlanish­li impulsli elektr raz­ryadi paydo bo’ladi. Kuchlanishning o’sishi juda tez (vertikal) tik ravishda ko’tarilib juda qisqa muddatli bo’ladi. Razryad toki ham juda qisqa muddatli 15÷20 nanosekund davom etadi.
Ionli lazerlar ichida eng kup tarkalgan argon lazeri.
Lazer utishini yuqorigi 4R satxi kuydagi uchta prosesslar natijasida joylashishi xosil qilish mumkin.
1. Asosiy xolatda turgan Ar⁺ ioni bilan elektronli tuknashish natijasida [a - prosess]
2. Metastobil xolatda turgan ion bilan elektron tuknashish natijasida [b - prosess]
3. Yuqorigi satxlardan kaskadli radiosion utishlar [v - prosess]
Asosiy xolatda turgan Ar⁺ ionlarini sonini Ni bilan va Ne bilan elektronlar sonini zichligini belgilaymiz. Plazma xolati Ni Ne bo`lib neytral bulsin.
Bunday taxmin qilishda a - prosessda birlik xajmga tugri kelgan damlash tezligi.
(2.4.1)
Elektr razryad usib elektr maydoni doimiy bulgan xolga yetganda, elektronlar zichligi Ne razryaddagi tok zichligiga proporsional bo`ladi ya’ni ko`rinadiki

Bu kvadratik boglanish tajribada uz - o`zidan nurlanish quvvatini I - ga boglikligini yaxshi tasdiklaydi. (b) va (v) prosesslar uchun xam I boglanishni beradi.

(v) prosessda xakikatdan kaskadli radiosion prosess bulganda xam satxlarda joylashish Ne Ni ga bu esa Ne² proporsional buladi.
(b) prosessda esa uygonishi va relaksasiya prosesslarini balanslari bilan aniklashuvchi Metastabil sotixdagi Nm joylashishlar kuyidagi boglashishni beradi.